礦用特殊水質水位傳感器研究與設計

郭凌龍 柯書國 靳寶全

(1.山西晉城無煙煤礦業集團有限責任公司，山西省晉城市，048006；2.太原理工大學新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點實驗室，山西省太原市，030024)

隨著我國煤炭開采的不斷延伸，煤礦水害造成的危害日益嚴重。水位傳感器作為煤礦安全監控的一個重要組成部分，它的安全可靠工作具有重要意義。目前井下常用的水位傳感器有浮子式、超聲波式、電極式液位開關和壓力式水位傳感器等。浮子式水位傳感器安裝繁瑣且不便在流動的水中測量；超聲波式水位傳感器測量精度受安裝位置和水面漂浮物影響較大；電極式液位開關不能連續測量水位變化；壓力式水位傳感器在煤泥水等水質惡劣的情況下壓力孔容易堵塞，造成傳感器無法正常工作。

針對上述水位傳感器存在的問題，本文設計了一種成本低、安裝方便且能夠在煤泥水等特殊水質環境下穩定工作的水位傳感器，該水位傳感器通過特制的配重柱和同軸電纜作為敏感元件，基于CAV444的電容-電壓轉換芯片轉換，再通過相關算法處理，實現水位的實時測量。該水位傳感器設計有CAN通信接口，測量的水位值能夠通過CAN接口上傳至監控單元。

1 礦用特殊水質水位傳感器測量原理

礦用特殊水質水位傳感器的傳感部分主要有特制的不銹鋼配重柱和同軸電纜組成，特制的不銹鋼配重柱起隔離和拉伸同軸電纜的作用。同軸電纜由內而外分別由銅導體、絕緣介質、密編銅網和PVC護套四層結構組成。具體測量前，剝開同軸電纜一端使同軸電纜的銅導體與特制的不銹鋼配重柱連接，密編銅網與銅導體和不銹鋼配重柱之間通過配制的環氧樹脂隔離絕緣。同軸電纜結構示意圖如圖1所示，礦用特殊水質水位傳感器測量原理示意圖如圖2所示。

圖1 同軸電纜結構示意圖

圖2 礦用特殊水質水位傳感器測量原理示意圖

由圖2可以看出，礦用特殊水質水位傳感器測量原理為同軸電纜銅導體與水之間通過配重柱連通，電容并聯原理計算見式(1)：

CT=Ch1+Ch3+Ch4

(1)

式中：CT——同軸電纜待測的總電容，pF；

Ch1——銅導體與密編銅網作為電容兩極形成的同軸圓柱形電容，pF；

h1——同軸電纜總長度，mm；

Ch3——浸入水中的同軸電纜部分密編銅網層與水作為電容兩極形成的同軸圓柱形電容，pF；

h3——浸入水中的同軸電纜高度，mm；

Ch4——密編銅網與配重柱作為電容兩極形成的同軸圓柱形電容，pF；

h4——配重柱的高度，mm。

根據式(1)和同軸圓柱形電容計算公式可得：

(2)

式中：ε3——密編銅網層與水之間的介電常數；

D1——同軸電纜PVC護套直徑，mm；

D2——密編銅網直徑，mm；

ε1——同軸電纜銅導體與密編銅網層間的介電常數；

D3——銅導體直徑，mm；

ε4——密編銅網層與配重柱之間的介電常數；

b——同軸圓柱形電容Ch1和同軸圓柱形電容Ch4之和，pF。

由式(2)可以得出，在理想狀況下電容與水位高度近似成線性關系。

2 礦用特殊水質水位傳感器硬件設計

2.1 系統硬件組成

同軸電纜一端通過航空接頭接入電路中，待測的總電容經電容-電壓轉換電路轉換成標準的電壓信號，電壓信號經濾波處理，AD采集轉換成數字信號輸送到單片機，單片機內部通過相關算法程序的處理計算出實時的水位值，最后通過四位一體的數碼管顯示。由于環境狀況和寄生電容等因素的影響，不可避免地容易造成電容值和水位高度之間存在線性誤差，所以系統設計了紅外遙控電路和按鍵電路互為冗余實現水位測量系統的非線性校準。當水位值達到設置的水位上限時報警電路實現報警的功能。同時設計了CAN通信電路，測量的水位值能夠通過CAN通信電路上傳至監控單元，由監控單元上傳至地面集控中心，使監控人員及時了解井下積水點水位狀況。礦用特殊水質水位傳感器系統框圖如圖3所示。

圖3 礦用特殊水質水位傳感器系統框圖

2.2 電容-電壓轉換電路設計

電容-電壓轉換模塊選用德國進口的具有采集、處理以及電壓輸出功能的集成芯片CAV444，該芯片是專門用于電容信號測量的集成芯片，能實現10 pF～10 nF寬的電容檢測，應用該集成芯片外接幾個電阻電容可以調節輸出電壓的零點和放大比例，將所測量的電容轉換成線性的電壓輸出。測量水位為10 cm時待測的總電容為368 pF，滿量程時待測總電容為1598 pF，CAV444芯片完全能滿足要求。

2.3 紅外遙控電路設計

由于寄生電容和芯片性能等因素的影響，礦用特殊水質水位傳感器在使用過程中有一定的線性誤差，所以設計有紅外遙控和按鍵電路用于系統的校準。采用1838T作為紅外接收頭，SC9149模塊作為紅外遙控系統的解碼電路，校準時，紅外接收頭接收到紅外遙控發送來的信號經SC9149模塊解碼輸出不同的按鍵信號。

2.4 CAN通信電路設計

水位信息的及時上傳對監控系統的安全可靠工作至關重要，因此設計了電容式水位傳感器系統的CAN通信電路，水位傳感器采集的水位信息通過CAN通信電路上傳至監控單元。CAN通信電路示意圖如圖4所示。

圖4 CAN通信電路示意圖

本系統中CAN控制器選用Microchip公司的MCP2515，該器件支持CAN V2.0B協議規范，自帶的兩個接收緩存器和驗收屏蔽和驗收濾波寄存器可減少主單片機的工作負擔，加大工作效率，并且MCP2515帶有SPI接口，單片機通過標準的SPI命令對MCP2515進行讀寫操作。CAN收發器的功能是將控制器的邏輯電平和CAN總線的差分電平轉換，常用的CAN收發器方案中需要光耦、電源隔離、收發器等器件實現帶隔離的CAN收發器，該方案中選用自帶隔離功能的集成芯片CT8251，其接口簡單且使用方便。

3 礦用特殊水質水位傳感器測量流程

礦用特殊水質水位傳感器上電后，系統進入初始化階段，完成相關寄存器的配置，由于寄生電容和CAV444轉換芯片等因素的影響，電容值與液位不可避免存在一定的線性誤差，為了減小線性誤差帶來的影響，系統采用插值法處理。水位測量流程示意圖如圖5所示。

圖5 水位測量流程示意圖

由圖5可以看出，測量總量程可分為三段測量處理，系統完成初始化配置后，用紅外遙控器或按鍵對水位傳感器校準處理，具體做法為：將礦用特殊水質水位傳感器豎直懸掛，在特制的配重柱剛好浸入水中時，采集起始量程值并保存；在同軸電纜浸入到總滿量程的中間位置時，采集中間量程值并保存；在同軸電纜浸入到測量最大深度時，采集滿量程值并保存，校準完成退出校準。當水位傳感器正常工作時，對實時采集的電容值判斷，采集電容小于起始值時，顯示0 cm；采集電容值在起始量程值和中間量程值之間時，按起始量程值和中間量程值兩個基準計算水位值；采集電容值在中間量程值和滿量程值之間時，按中間量程值和滿量程值兩個基準計算水位值。采集計算的水位值都通過數碼管實時顯示并通過CAN接口發送至監控單元。采用插值法把測量過程分為三端處理，可在一定程度上消除寄生電容對系統造成的線性誤差，使水位傳感器的測量精度提高。

4 實驗測試與分析

在實驗室條件下，對礦用特殊水質水位傳感器裝置進行測量驗證，使水位傳感器保持豎直狀態，當特制的配重柱剛好浸入水中時測得電容值為368 pF，此后，同軸電纜浸入水中每間隔5 cm測量一次電容值，將測得的電容值和參考水位值進行擬合，參考水位與總電容擬合曲線圖如圖6所示。

圖6 參考水位與總電容擬合曲線圖

圖7 參考水位與電壓曲線圖

由圖6可以看出，擬合的線性相關系數為0.99964，表明水位高度和電容值成高度線性關系。隨著液位變化而線性變化的電容值經過CAV444芯片可轉換成線性的電壓值，與采集電容值過程相同，測得的電壓值和參考水位值經過軟件處理得到的參考水位與電壓曲線圖如圖7所示。

輸出的電壓經過濾波處理后，由AD芯片轉換電路將電壓值轉換成數字信號傳輸至單片機，單片機內部通過相關算法處理即可得到實時的水位值。

5 結語

礦用特殊水質水位傳感器采用同軸電纜作為傳感元件，通過特制的傳感探頭處理，經過線性電容-電壓轉換芯片處理及相關算法的處理實現了水位的實時測量。該水位傳感器具有成本低、結構簡單、靈敏性好以及環境適應能力強等特點，能夠在煤泥水等特殊水質的環境下連續測量液位變化的特點。煤礦井下復雜的水質情況對礦用特殊水質水位傳感器的實際應用都有新的要求，后期還要對該水位傳感器的測量精度、量程等性能方面做更多深入的研究。

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